考虑臂架柔性的起重机动力学分析

郭金莹?胡欢?喻山峰?王静

摘 要 考虑起重机臂架1和臂架2的柔性，利用有限元软件ANSYS进行模态分析和子结构分析，提取模态信息输入动力学仿真软件，建立刚柔耦合动力学模型。在设定工况下分析臂架顶部高度以及垂向加速度幅值，并与刚体模型对比。结果表明，刚柔耦合模型的臂架顶部高度低于刚性模型，而稳定后的加速度幅值明显小于刚性模型。

关键词 弹性模态;刚柔耦合;耦合振动

随着机械自动化程度的提高，现代生产过程中起重机得到越来越广泛的应用。臂架是起重机的主要承重部件，而其结构特征决定其在工作过程中存在较大的变形量，因此在起重机动力学分析中考虑臂架柔性具有重要意义[1-2]。

1臂架的有限元分析

采用solid45单元对臂架1和臂架2进行模态分析。臂架1共有12391个节点和34971个单元，臂架2共有11444个节点和34119个单元。有限元模型见图2，模态分析结果见表1。

2刚柔耦合动力学仿真

图1左图为起重机的拓扑图，包括底盘、臂架1和臂架2，滑轮，油缸，油缸杆和重物7个刚体。系统共有7个独立自由度，1个非独立自由度和2个固定铰。非独立自由度为底盘相对于大地绕x方向的转动，二者之间有一约束。臂架2和滑轮，油缸杆和臂架1之间为固定铰接。

将有限元子结构分析得到的文件导入动力学软件，生成柔性体文件，替换刚体臂架1和臂架2，建立系统的刚柔耦合动力学模型，如图1右图。

3仿真结果

刚柔耦合模型中起重机顶部高度约为8.829 m，而刚性模型的刚度约为8.887 m。利用移动marker施加激励，积分求解系统响应，臂架顶部的垂向加速度见图3。刚柔耦合模型臂架顶部的垂向加速度幅值为0.23 m/s2，刚性模型约为0.37 m/s2，稳定状态下剛性模型过高估计了臂架的动态载荷。

4结束语

起重机起重重量越来越大，起升高度越来越高，臂架振动和载荷摆动对于起重机的影响越来越大。要准确的仿真在不同工况下臂架的振动和载荷的摆动，就需要考虑臂架结构的柔性。

参考文献

[1] 陆念力，张立强，顾迪民.非保向力作用下压杆稳定计算的等效支座法及其在吊臂分析中的应用[J].建筑机械，1996（7）：15-17，2.

[2] 郑宇锋.考虑臂架变形的伸缩臂起重机模拟系统研究[D].大连：大连理工大学，2018.